雷达影像色调的深浅反映地物后向散射回波的强弱,回波强色调浅,回波弱色调暗(图3-58)。回波强弱取决于地物与雷达波的相互作用和成像雷达系统的特性,具体讲就是与成像雷达的工作波长、俯角和极化方式,地物本身的表面粗糙度、物理电学特性(介电常数等)和地物几何形态产生的角反射器效应等有关。(一)成像雷达的工作波长图3-58 雷达影像色调与回波强度示意图成像雷达的工作波长见表2-3。同一地物在不同波长下的回波有很大不同。一般,波长短,图像分辨率高,但穿透能力差;长波长,有一定的穿透能力,但图像分辨率较前者差。为了兼顾两方面的优点,目前最常用的是X波段(λ=3cm)和L波段(λ=23.5cm)雷达。雷达工作波长还直接影响地物表面粗糙度和介电常数,从而影响回波强弱。(二)成像雷达的照射俯角雷达回波强度与俯角的关系如图3-59(c),随俯角的增大,回波强度增大。对于平滑表面俯角大则回波强,随俯角的减小回波强度迅速下降。对粗糙表面,回波强度随俯角增加变化较平缓。(三)成像雷达的极化方式极化指电磁波在一个振荡周期内空间一给定点的电场矢量的方向。电场矢量方向不随时间变化的电磁波称为线极化波,它分解为两个方向的极化:水平极化(H)和垂直极化(V)。如图3-60,水平极化电场矢量与入射面(包含入射雷达波束并与照射面相垂直的面)垂直,垂直极化电场矢量与入射面平行。成像雷达有四种极化组合工作方式,若雷达发射和接收的雷达波极化性质相同称同极化方式,有HH和VV两种;若不相同则称交叉极化方式,有HV和VH两种。极化组合方式不同,同一地物产生的回波强度不同,雷达影像色调不同,如玄武岩的HH回波大于HV回波,HV影像要暗些。用可控极化方式的成像雷达进行多极化遥感,能大大增加雷达影像的地物信息。大多数地物对水平极化能产生较强的回波,资源遥感成像雷达多是HH方式,这样产生的回波信号最强。多数地物产生回波的极化性质与入射波极化性质相同,少数地物会改变入射波极化性质而产生另一种极化性质的回波,这种现象称去极化作用。正是由于有些地物具有去极化作用,才会有交叉极化。HH影像上不清楚的岩石界线,HV影像上则可能明显地显现出来。同极化的HH与VV影像,在粗糙地面地区,后向散射回波强度无明显差别,影像差别不大,但对平滑的地面HH影像的信息没有VV影像的丰富。表3-8列出四种成像雷达系统的参数。图3-59 随俯角变化的平滑表面和粗糙表面的雷达回波图3-60 水平极化和垂直极化表3-8 成像雷达参数表(据郭华东,1991)(四)地物表面粗糙度地物表面粗糙度对雷达回波影响也很明显。如图3-59(a)、(b),一般规律是平滑表面反射全部入射波,反射角等于入射角,方向相反,形成镜面反射,没有后向散射,影像为黑色调;粗糙表面产生各个方向的散射(漫反射),后向散射回波较强,影像为浅色调;中等粗糙表面产生混合反射,有后向散射回波但较弱,影像为深浅不同的灰色调。地物表面粗糙度可以表示照射区域的散射程度,是一个与雷达工作波长和入射角有关的相对量。根据瑞利判据,地物表面按粗糙度的分类见表39-。表3-9 地物表面粗糙度分类判据(φ=45°)可见,表面粗糙度反映的是地物表面的微起伏,与地形起伏属两个不同的尺度,是两个不同的概念。(五)地物的复介电常数复介电常数是描述物体表面电性能的复数常数,取其实部用介电常数表示。地物介电常数大,反射率高,回波强,影像色调浅,反之则色调深。一般固态物质的介电常数小于10,如大理岩为8;大多数不含水物体的介电常数小于6,如柏油为2.7,干沙、土壤为2.0-5.0,而水的介电常数高达60-80。所以,影响地物介电常数的主要因素是地物含水量,介电常数随单位体积内液态水的含量呈线性变化,含水量大介电常数大,反射率高,回波强,影像色调浅。当土壤和植物含水较多时,介电常数迅速增大,成为良好的微波散射体,如新鲜的麦苗、油莱、杨树枝的介电常数分别达37.78、45.46和19.21,说明植物有较强的回波。对岩石的测量结果表明,各类岩石的介电常数无太大幅度变化,含Fe、Mg元素丰富的岩石要高些。如花岗岩平均值为4.77,片麻岩为5.22,砂岩为4.80,闪长岩为6.22,白云岩为6.8-8.0,熔岩为5.3-5.6,赤铁矿为14.2。矿化岩石介电常数在10.73-27.99之间,显著高于围岩,有较强的雷达回波。但从丘陵到山区,对回波具有控制作用的因素是表面粗糙度,介电常数在大范围的岩性识别中很难成为主导因素。介电常数还与地物的电导率和雷达波长有关,它们影响着雷达波对地物的穿透能力。金属和含水量高的地物电导率高,反射率高,是最好的散射体;水泥及石材为中等散射体;干木头电导率差,反射率低,是最差的散射体。雷达波长越短,有效穿透越浅;土壤含水量越高,雷达波对其穿透深度越浅,对干沙的穿透深度较大。(六)角反射器效应地物的几何形态及与雷达波束的几何关系也直接影响回波强度。建筑物墙面与地面、排树与地面等组成的二面角、三面角,构成天然角反射器(图3-61)。当角反射器的对称轴与入射雷达波束方向一致时,入射雷达波几乎能全部返回雷达系统,回波强,影像呈很亮的浅色调,如城镇、村庄在雷达图像上呈明亮的斑块或斑点状,这主要是角反射器效应的结果。线状地物当其走向与入射雷达波束正交时,也会产生强回波,如与雷达视向垂直的铁路、公路、河堤、沟谷、山脉、线性构造等在雷达图像上呈现为醒目的亮线,而与雷达视向平行的线状地物,在雷达图像上则不明显。面状地物当其法线方向与入射雷达波一致(φ=0)时产生强回波形成亮色调当两者夹角变大时回波减弱色调变暗甚至不产生回波,这种现象称方向性效应(图3-55)。由于方向性效应及前坡的透视收缩,有效入射角较小的山坡会产生强回波,影像色调可由浅直至白。成像雷达可以全天候、全天时成像,对云雾、小雨、植被和干燥地物有一定的穿透性,其成像的立体效应增强了地形信息,对线性构造、环形构造有一定的增强显示作用。星载成像雷达可大面积快速成像且几何失真较小。成像雷达的初步地质应用,已使人们发现了许多地质和其它遥感手段未曾揭示的地质现象。90年代,将是雷达遥感的黄金时代。图3-61 角反射器示意图
